等离子体物理解读

等离子体分类



气体电离 ( 完全电离 , 部分原子电离 , 弱电 离). 天然等离子体, 实验室等离子体. 热等离子体: 低温等离子体 高温等离子体 冷等离子体: 温度较低的稀薄低压等离子 体.
二.等离子体基本特性
1. 等离子体准电中性: 整体电中性. 但是电子和离子的浓度不一定相等. 德拜屏蔽 : 每一个带电粒子附近都存在着 小范围的电场 , 该电场被周围粒子场完 全 ” 屏蔽”, 在一定的空间区域外呈电 中性. 德拜长度: 屏蔽粒子场所占的空间尺度.
F eE n0 e 2
0
x me x
n0 e 2 x x 0, 0 me
P
2
n0 e 2 0 me
4
P 9 10
ne
等离子体基本特性
2. 等离子体温度 电子温度Te, 离子温度Ti, Te一般高于Ti. 3. 等离子体振荡 等离子体内部存在恢复电中性的静电力, 作 为回复力. 朗谬尔振荡: 等离子体内部电子的集体振荡.
负电荷层屏蔽了带电导体的电场,从 而使等离子体内部不受影响. 层内: 电中性被破坏. 层外: 没有宏观电场存在, 仍保持电 中性.
根据边界条件,可求得,带电为Q的 导体球在等离子体中的电势分布为
D
0 kT
ne
2
U
Q 4 0 r
e

r
D
它比孤立点电荷的电势衰减得快.把ε0, k, e代入, 有 T D 69.0 n n为等离子体内粒子密度. λD的物理意义: 静电作用范围基本不超过德拜球. 等离子体形成条件: L D
ne e 0 me
2 p
,
2
1 P 2
n0v me
4.等离子体中粒子间相互作用

碰撞: 弹性 非弹性: 伴随新的粒子, 光子产生, 吸收, 电离, 复合等. 库仑力: 长程力(从而等离子体表现出集 体行为), 对气体, 分子力是短程力, 10-9m
几种等离子体
等离子体 电子温度/K 电子数密度/cm-3 太阳中心 2×107 1026
太阳表面
5×103
106
日冕
106
105
聚变实验(托克马克)
108
1014
原子弹爆炸火球
107
1020
太阳风
105
5
闪电
3×104
1018
辉光放电(氖管)
2×104
109
地球电离层
2×103
105
一般火焰
2×103
2. 磁场对等离子体的作用 m vsin v , B 洛仑兹力 R qB

另外, 还有电场力作用------电漂移, 速度
E v de B 重力作用--------重力漂移(垂直于B的漂移), 速度.
v dg
mg qB
磁场对等离子体的作用


带电粒子绕磁力线作螺旋线运动, 在很强 的磁场中, 每个带电粒子的活动被约束在 一根磁感应线附近的很小范围内. 只要粒子发生碰撞时,才有可能从一根磁 力线跳到另一根上.带电粒子总有被推向 磁场较弱区域的趋势.
3.等离子体中的波
等离子体------导电流体 等离子体中存在热压力, 库仑力, 磁力等--------(都可作)准弹性力. 静电波: 静电振荡(朗谬尔振荡), 纵波;
电磁波: 等离子体内电磁波传播速度,
v 1
c
2 p
2
ω 为电磁波频率,ω p为等离子体振荡,
ne e 2 p 0 me
磁场对等离子体的作用




磁镜(磁约束装置) 磁场两头强 , 中间弱 . 带电粒子将在磁场 中来回运动而不逃脱. 当等离子体中有电流通过时, 这种电流的 磁场对等离子体有作用. 等离子体电流产生的磁场是非均匀的. () 所以, 等离子体里运动的带电粒子有向轴 心收缩的趋势-------箍(gu)缩效应.
即表明, 当
p 时, 能传播.
一.物质的第四态


1830s 气体放电现象研究 1879年, W.Crooks 用第四态→描述气体 放电管中的电离气体. 1928年, 等离子体研究
两种研究方法
①把等离子体看作由大量独立的带电粒子组成的 集体, 只讨论单个粒子在外加磁场中运动特性, 而略去粒子间的相互作用 , →适合于稀薄等离 子体. ②把等离子体当作导电的连续媒质来处理, →磁 流体力学. 流体力学方程组 + 电磁作用项 + MAXWELL方程组→磁流体力学方程组. 等离子体动力学:多粒子体系, 统计方法, 微观理论. 很复杂
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+ + + + + + + + + + +
++++++ + +-+ + + + + +-+ + + + + +-+ + + + + +-+ + + + ++++++ ++++++ ++++++ ++++++ ++++++ ++++++ x
+++++++
x n0 e E x 0 0 0
专题三 等离子体物理
应用物理系
等离子体



等离子体物理学主要是研究等离子体的形成、 性质及其运动规律. 等离子体技术: 电弧等离子体技术, 高频等离子 体技术, 磁流体发电技术, 等离子体加速技术, 电子和离子束技术, 气体激光技术, 热离子能量 转换技术. 等离子体物理学涉及天体物理学, 热物理学, 化 学, 流体力学, 气体动力学, 材料科学等.

三.等离子体中电磁场
1. 等离子体内磁场 等离子体是良导体, 呈准电中性, 在内部不 能有电场存在, 但可存在磁场. 磁场可以是外加 的, 也可能是等离子体本身的电流产生的. 由楞 次定律和电磁感应定律可以说明等离子体内磁 场不变.这也叫”磁场冻结”. 等离子体挤压磁力线. 等离子体内无磁场, 即外磁场+感应电流磁场=0, 而挤压区域则是 原磁场与等离子体内感应电流磁场的迭加.
电离的方式
①热电离; ②光电离; ③碰撞电离, 通过碰撞,交换能量. 电离度α=已电离数/总原子数. 当α ≥0.1%时, 形成等离子体.
热平衡下, Saha方程为
2 ni T 15 2.4 10 e kT n0 ni 3
其中, nI为电离后离子数密度, n0为未电离的中性 原子数密度. 要使α 大于0.1%,则要T达到104K以上.